Методики и варианты расчета свайного фундамента

Согласно СП :

Согласно п.7.2.2 при выполнении расчетов несущей способности висячих забивных, вдавливаемые всех видов и железобетонных свай-оболочек, погружаемые без выемки грунта (забивные сваи трения), необходимо учитывать коэффициенты условий работы по таблица 7.4.

Способы погружения забивных и вдавливаемых свай и свай-оболочек, погружаемых без выемки грунта, и виды грунтов

Коэффициенты условий работы грунта при расчете несущей способности свай

под нижним концом

на боковой поверхности

2 Погружение забивкой и вдавливанием в предварительно пробуренные лидерные скважины с заглублением концов свай не менее 1 м ниже забоя скважины при ее диаметре:

а) равном стороне квадратной сваи

б) на 0,05 м менее стороны квадратной сваи

в) на 0,15 м менее стороны квадратной или диаметра сваи круглого сечения (для опор линий электропередачи)

Для свай, воспринимающих выдергивающие нагрузки, допускается предусматривать погружение их в лидерные скважины, при этом разница между поперечным размером сваи и диаметром лидерной скважины должна быть не менее 0,15 м.

Определение допустимой нагрузки на винтовую сваю

Для применения под домом принята рекомендуемая свая с диаметром ствола 108 мм и диаметром винтовой части 300 мм. Глубина завинчивания принята из следующих соображений. Нормативная глубина промерзания по Московской области составляет 1,4 м, расчетная глубина промерзания под неотапливаемым зимой домом 1,6 м. Винтовая уширенная часть сваи длиной 0,3 м должна располагаться ниже расчетной глубины промерзания. Поэтому глубина завинчивания сваи принята равной 1,9 м. При такой глубине завинчивания в пучинистых грунтахи действии касательных сил пучения свая устойчива.

Несущая способность винтовой сваи определена в наиболее часто встречающихся грунтах – суглинках, имеющих консистенцию от полутвердой до мягко-пластичной. Расчеты выполнены при следующих усредненных значениях характеристик грунтов:

• суглинок полутвердый Jl = 0,2, угол внутреннего трения – 24°, удельное сцепление – 3,1 тс/м2;
• суглинок тугопластичный Jl = 0,4, угол внутреннего трения – 21°, удельное сцепление – 2,8 тс/м2;
• суглинок мягкопластичный Jl = 0,6, угол внутреннего трения – 16°, удельное сцепление – 1,6 тс/м2.

Суглинок в текучепластичном состоянии (Jl > 0,75) не рассматривается, так как Строительные Нормы запрещают использование таких грунтов в качестве основания при непосредственном опирании на них фундаментов. Необходимо завинчивать сваи ниже таких грунтов, часто на большую глубину. Применение винтовых свай под легкими домами может оказаться нецелесообразным, так как для таких случаев есть другие, более экономичные решения.

Расчет несущей способности винтовых свай выполнен по формуле (15) раздела «Винтовые сваи» СНиП «Свайные фундаменты» с учетом дополнений раздела «Особенности проектирования свайных фундаментов малоэтажных сельских зданий».

В соответствии с указаниями того же СНиП () расчетная нагрузка N, допустимая на одиночную сваю в составе фундамента определяется по формуле:

N<=F/Уk,

где F – несущая способность винтовой сваи; Уk – коэффициент надежности, принимается равным 1,4, если несущая способность сваи определена расчетом по формуле (15).

Коэффициент надежности может быть меньшим – 1,2, если несущая способность определена по результатам полевых испытаний статической нагрузкой. В нашем случае меньший коэффициент не применим. Результаты расчетов представлены в следующей таблице:

Как следует из расчетов, обещанного чуда с винтовыми сваями не наблюдается. Если в полутвердых грунтах допустимая нагрузка на винтовую сваю соответствует декларируемой величине, то в тугопластичных грунтах она в 1,8 раза меньше, а в мягкопластичных меньше в 3,5 раза.

Для оценки полученных результатов выполнен также расчет буровой железобетонной цилиндрической опоры диаметром 0,3 м, заглубленной на 1,9 м в те же грунты. Получено, что в полутвердых грунтах допустимая нагрузка на буровую сваю меньше, чем на винтовую, в 1,4 раза, в тугопластичных грунтах допустимые нагрузки – одного порядка, а в мягкопластичных грунтах допустимая нагрузка на буровую сваю в 1,5 раза больше.

Вывод из полученных результатов: несущая способность отдельной сваи и фундамента в целом существенно зависит от физико-механических характеристик грунтов. Поэтому без инженерно-геологических изысканий не обойтись. Результаты могут быть плачевными.

Срок службы

Долговечность свайного фундамента зависит от материала, из которого выполнены сваи, а также условий их работы. В большинстве случаев расчетный срок службы такого основания составляет 50-100 лет. Более долговечными являются железобетонные сваи. Металлические и деревянные сваи имеют меньший срок службы и требуют дополнительной обработки. Точный срок службы должен определяться для каждого типа свай и конкретных условий среды. При этом следует учитывать опыт проектирования и строительства в условиях конкретной местности.

Виды свай и свайных фундаментов

Классификация ведется по видам, смотри раздел 6 СП 50-102-2003. В нем расписаны устройство свайного фундамента, его проектирование, а также виды свайных фундаментов.

По способу погружения они бывают:

1. Забивные или вдавливаемые. Готовые погружают прямо в грунт или в лидерные (предварительно подготовленные) скважины.

   По материалу – бетонные, железобетонные, стальные, деревянные.

   По армированию:

   с ненапрягаемой арматурой, установленной продольно и поперечными дистанцирующими отрезками арматуры;

   с предварительно напрягаемой продольной прутковой или канатной арматурой с поперечной арматурой или без нее.

   По конфигурации сечения:

   поперечного – прямоугольные, квадратные, круглые, двутавровые и тавровые, круглые или квадратные с круглой полостью.

   продольного – цилиндрические, призматические и с боковыми наклонными гранями – трапецеидальными, ромбовидными, пирамидальными;

   по конструкции – цельные и составные;

   по виду нижнего конца – с плоским концом, с заостренным, с объемным уширенным – булавовидным, полые с открытым или закрытым окончанием и с камуфлетными пятами – со взрывными полостями.

2. Железобетонные сваи-оболочки, погружаемые с полной или частичной выемкой грунта и не заполняемые бетоном. Могут быть и бетонируемые.
3. Набивные бетонные и железобетонные. Грунт отжимается в стороны, свая бетонируется.
4. Буровые бетонные и железобетонные. В пробуренную скважину:

   на растворе устанавливают готовые элементы;

   заливают бетон;

   устанавливают армирующий каркас и заливают бетон.

5. Винтовые. Стальная труба с винтом на конце.
6. Буровинтовые. Железобетонное изделие с винтом на конце вкручивается в грунт.

Что такое свайно-ростверковый фундамент

Свайный фундамент, наверное, представляют себе все: это некоторое количество свай, заглубленных в грунт до уровня несущего слоя или ниже уровня промерзания. В чистом виде этот тип фундамента используется редко. Виной тому своеобразная конструкция, которая не позволяет перераспределять между сваями нагрузку от дома. Потому свайный фундамент в основном делают под срубы из бревна или бруса, иногда — под каркасные постройки. Эти типы стройматериала, из-за своих особенностей, сами перераспределяют нагрузку. С домами из других материалов они совместимы плохо.

Зато их усовершенствованный вид — свайный фундамент с ростверком — лишен многих недостатков и может использоваться и под кирпичные, и под блочные постройки.  В них все опоры завязаны при помощи ленты из металла или железобетона (бетона) в единую конструкцию. Эта лента и называется ростверком.

Так выглядит свайно-ростверковый фундамент вынутый из земли

Ростверк — это часть фундамента, объединяющая оголовки свай и служащая опорой для стен. Именно ростверк принимает, и за счет замкнутой конструкции, перераспределяет нагрузку, передавая ее на сваи.  Он может быть металлическим, деревянным, бетонным или железобетонным. По типу исполнения бетонные (железобетонные) ростверки бывают низкими и высокими.

Различают свайные фундаменты с высоким и низки ростверком

Как работает ростверк и что он дает

Любой дом в разных частях будет давать разную нагрузку: отделка, мебель, санфаянс, другие вещи размещены неравномерно. Следовательно, и нагрузка от разных его частей будет разной. Ростверк принимает на себя эти неравномерные нагрузки и перераспределяет их. Сваям уже передается «выровненная» нагрузка.

Чем отличаются свайные и свайно-ростверковые фундаменты (чтобы увеличить размер картинки щелкните по ней правой клавишей мышки)

Чем это хорошо? Тем, что при одинаковой нагруженности свай, меньше шансов на то, что они будут усаживаться неравномерно. А неравномерная усадка ведет, как известно, к трещинам в фундаменте и стенах. Потому свайно-ростверковый фундамент более стабилен. Хотя главный недостаток свайных фундаментов остается: мы не можем знать, что за грунт находится под каждой из свай.  Потому спрогнозировать их поведение нереально. Именно поэтому их не очень любят архитекторы: гарантировать многолетнюю эксплуатацию дома невозможно.

Ленточный фундамент на сваях

Более предсказуемы в этом плане низкие ростверки. Они начинаются обычно ниже уровня земли и отливаются из армированного (или нет — зависит от проекта) бетона. Причем арматура свай связывается с арматурой ростверка.

В этом случае ростверк — это мелкозаглубенный ленточный фундамент и изготавливается он по той же технологии. Отличается тем, что имеет жесткую связь со сваями, что в разы повышает надежность и устойчивость конструкции. Еще такие фундаменты называют ленточными на сваях или свайно-ленточными. Такая конструкция является почти идеальной: сочетает в себе плюсы свайного и ленточного фундамента, в значительной мере компенсируя их недостатки.

Устройство свайно-ленточного фундамента (чтобы увеличить размер картинки щелкните по ней правой клавишей мышки)

Как он работает? Нагрузка от дома передается на ленту. Благодаря наличию продольной арматуры перераспределяется по всей площади. Так как лента опирается и на грунт, то часть нагрузки передается ему, остальная приходится на сваи. При этом нагрузка и усадка равномерны: их «выравнивает» лента.

В зимнее время, когда начинают на фундамент воздействовать силы пучения, проявляются все плюсы свайно-ленточного фундамента. Если дом стоит на пучнистых грунтах, их глубина заложения ниже уровня замерзания, очень сложно представить условия, при которых дом перекости или он даст неравномерную усадку.

При воздействии сил пучения на ленту, «пятки» свай, да и они сами, не дают возможности грунтам сдвинуть фундамент. Потому ленточно-свайные фундаменты — отличный выбор на сильно пучнистых почвах. Затраты при этом гораздо выше, чем при строительстве обычного свайного фундамента, но намного ниже, чем при строительстве ленты ниже глубины промерзания.

Расчетной нагрузки Pсb на одну сваю

Несущая способность по грунту одиночной забивной висячей сваи

определяется по формуле:

.- несущая способность по грунту одиночной забивной висячей сваи.

?сR– коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта; принимается по табл.3 СНиП «Свайные фундаменты»; при погружении сплошных с закрытым нижним концом свай молотами ?сR

= 1,0;

R– расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, определяемое по табл.1 СНиП «Свайные фундаменты» в зависимости от вида грунта под нижним концом сваи и глубины погружения нижнего конца сваи; для песка мелкого плотного при глубине погружения нижнего конца сваи Z

= 7,25 м расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи будет равноR = 3893 кПа;

A– площадь опирания на грунт сваи, принимаемая по площади поперечного сечения сваи; при сечении сваи 0,3х0,3м площадь опирания на грунт сваи будет равнаА

= 0,09м2;

u– наружный периметр поперечного сечения сваи; при сечении сваи 0,3х0,3м наружный периметр поперечного сечения сваи будет равен u

= 1,2м;

?сf– коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи, учитывающий влияние способа погружения сваи на расчетные сопротивления грунта; принимается по 20 табл.3 СНиП «Свайные фундаменты»; при погружении сплошных с закрытым нижним концом свай молотами ?сf

= 1,0;

fi– расчетное сопротивление i

-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, определяемое по табл.2 СНиП «Свайные фундаменты» методом интерполяции; при определении расчетных сопротивлений грунтов на боковой поверхности сваи пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2м (рис.5);

hi– толщина i

-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи (принимается толщины однородных слоев не более 2м

По таблицам (Приложение, и 13

) определяем расчетное

сопротивление под нижним концом сваи R

и расчетные сопротивления по

боковой поверхности сваи слоев грунта, через которые проходит свая.

Расчетное сопротивление R

под нижним концом сваи для песка мелкого,

средней плотности при глубине погружения нижнего конца сваи от природного

рельефа z

= 9,55 м составляетR= 3955 кПа.

Сопротивление грунта

-в супеси пластичной с = на глубине расположениясередины слоя от отметки природного рельефа NL

z1= мощностью 0,45м fi=15,75 кПа.

-в суглинке текучепластичном с = на глубине расположения середины слоя от отметки природного рельефа NL

z2=5,1м мощностью 2,0м fi=7кПа.

-в суглинке текучепластичном с = на глубине расположения середины слоя от отметки природного рельефа NL

z3=7,1м мощностью 2,0м fi=7кПа.

-в песке средней крупности с =0.6 на глубине расположения середины слоя от отметки природного рельефа NL

z4=8,83м мощностью 1,45м fi=63,25 кПа.

Примечание: согласно [9], примечание к табл. 2 при прохождении сваи через

однородный слой мощностью>2м, он для определения fi

расчленяется на части

толщиной не более 2м.

Используя найденные значения R

иfi, вычисляемнесущую способностьсваи по грунту

15,75*0,45+7*2,0+7*2,0+63,25*1,45)}=

КН.

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю

по грунту, составит:

= (кН),

где ?k- коэффициент надежности по грунту.

В данном случае ?k =1,4, так как определена расчетом с

использованием табличных значений R

иf ([9] п. ).

Какие ростверки существуют

Существуют три основных разновидности ростверков:

• Деревянный. Используется брус размером 150 : 200 мм или 200 : 200 мм. Иногда вместо одного цельного бруса применяют пачку обрезных досок толщиной 50 мм и шириной 200 мм. Этот вариант позволяет исключить обычное для этого материала образование глубоких трещин и скручивание винтом. Балки укладываются на оголовки и фиксируются стремянками и болтами. Между собой их соединяют вполдерева с прокладкой из джута.
• Металлический. На оголовок укладывают двутавр, рельс или уголок и прочно соединяют между собой на сварку с дополнительной фиксацией на резьбовые соединения. Для швеллера оголовки не применяют, укладывая прокат полочкой вверх прямо на верхушки металлических труб (винтовых свай).
• Железобетонный. Представляет собой практически полный аналог мелкозаглубленного ленточного фундамента, только установленный не в траншее с опорой на грунт, а точечно на верхушках свай. При этом, лента отливается с жестким соединением арматуры с каркасами свай, что делает все элементы единой бетонной отливкой. Ж/Б ростверк способен выдерживать максимальные нагрузки, не гниет и не поддается коррозии, что обеспечивает длительный срок службы.

Расчет осадки методом послойного суммирования

Расчет осадки

слоистых оснований выполняетсяметодом послойного суммирования , в основу которого положена выше разобранная задача (основная задача). Сущность метода заключается в определении осадок элементарных слоев основания в пределах сжимаемой толщи от дополнительных вертикальных напряжений ?ZP, возникающих от нагрузок, передаваемых сооружениям.

Так как в основу этого метода положена расчетная модель основания в виде линейно-деформируемой сплошной среды, то необходимо ограничить среднее давление на основание таким пределом, при котором области возникающих пластических деформаций лишь незначительно нарушают линейную деформируемость основания, т.е. требуется удовлетворить условие

()

Для определения глубины сжимаемой толщи Нс вычисляют напряжения от собственного веса ?Zqи дополнительные от внешней нагрузки ?ZP. Нижняя граница сжимаемой толщи ВС основания принимается на глубине z = Нс от подошвы фундамента, где выполняется условие

()

т.е. дополнительные напряжения составляют 20% от собственного веса грунта

При наличии нижеуказанной глубины грунтов с модулем деформации Е<=5 МПа должно соблюдаться условие

()

Для оснований гидротехнических сооружений по СНиП —85 «Основания гидротехнических сооружений» нижняя граница активной зоны находится из условия

()

Расчет осадки

удобно вести с использованием графических построений в следующей последовательности (рис. 7.1 1):

• строят геологический разрез строительной площадки на месте рассчитываемого фундамента;
• наносятся размеры фундамента;
• строятся эпюры напряжений от собственного веса грунта ?Zg и дополнительного ?ZP от внешней нагрузки;
• определяется сжимаемая толща Нс;
• разбивается Нс на слои толщиной hi<=0,4b;
• определяется осадка элементарного слоя грунта по формуле ()

Тогда полную осадку можно найти простым суммированием осадок всех элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи из выражения

()

где ?— безразмерный коэффициент, зависящий от коэффициента относительных поперечных деформаций, принимаемый равным 0,8; hi— высота i-го слоя; Ei — модуль деформации i-го слоя грунта;

— среднее напряжение i-го элементарного слоя.

Метод послойного суммирования

позволяет определять осадку не только ценфальной точки подошвы фундамента. С его помощью можно вычислить осадку любой точки в пределах или вне пределов фундамента. Для этого пользуются методом угловых точек и строится эпюра напряжений вертикальной, проходящей через точку, для которой требуется расчет осадки.

Рис.

Расчетная схема для определения осадки методом послойного суммирования: DL — отметка планировки; NL — отметка поверхности природного рельефа; FL — отметка подошвы фундамента; ВС — нижняя граница сжимаемой толщи; Нс — сжимаемая толща

Таким образом, метод послойного суммирования

в основном используется при расчете небольших по размерам фундаментов зданий и сооружений и при отсутствии в основании пластов очень плотных малосжимаемых грунтов.

Способы расположения свай

Основание под дом на забивных железобетонных сваях может быть устроено несколькими способами:

• Свайное поле: стержни располагают на одинаковом расстоянии по всей площади фундамента.

• Рядами: сваи забиваются по линии наружных и несущих внутренних стен, и связываются между собой ростверком.

• Одиночное устройство: несвязанные стержни, которые забиваются под отдельные элементы строения.

Расчёт

Как и в ситуации с любым фундаментом, перед закладкой свайного основания следует провести тщательные расчеты. Если вы не уверены в собственных знаниях, то лучше доверить данные вычисления профессионалам.

Для начала необходимо выяснить массу будущего строения. Как правило, данная величина прописывается в проектной документации. Но если чертеж дома производился самостоятельно, то узнать массу дома можно следующим способом.

Необходимо вычислить объемы планируемых к использованию строительных материалов:

• бетонные изделия,
• кирпич или другие блоки,
• древесина,
• цементный раствор,
• кровельное покрытие и т.д.

После этого, необходимо умножить полученные объемы на удельный вес каждого материала. Это значение можно легко найти в строительных справочниках или в сети Интернет. Все показатели складываются, и к полученному значению добавляется 15% — теоретическое значение массы отделочных материалов, элементов будущей обстановки и бытовых приборов.

Сведя воедино все три параметра, рассчитывается количество и тип свай, а также способ их расположения.

Важно! Ошибка, допущенная на этапе расчета, может самым неприятным способом, отразиться на будущем здании. Неравномерная усадка строения приведет к разрушению.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пирамидальные и короткие буронабивные сваи являются эффективными конструкциями нулевого цикла малоэтажных агропромышленного комплекса. Использование фундаментов из коротких свай в морозоопасных, пучинистых грунтах ограничено действующими нормативными документами. Выполнение требования норм, согласно которому не допускаются даже незначительные перемещения свай, вызванные пучением грунта, приводит к увеличению их длины, что резко ухудшает технико-экономические показатели свайных фундаментов.

Вместе с тем, требование недопустимости выпучивания свай не является оправданным, так как любое здание и сооружение в состоянии переносить некоторые неравномерные деформации оснований. Применение фундаментов из коротких свай базируется на принципиально новом подходе к их проектированию, в основу которого положен расчет по деформациям пучения. Подобный подход использован и при проектировании мелкозаглубленных фундаментов. Положительный опыт строительства и эксплуатации зданий с мелкозаглубленными фундаментами о его правомерности.

При конструировании фундаментов из коротких свай используется тот же принцип, что и при конструировании мелкозаглубленных столбчатых фундаментов: фундаментные балки, цокольные панели объединяются в единую систему, образуя достаточно жесткую горизонтальную раму.

Такая система перераспределяет неравномерные перемещения отдельных свай, выравнивает их, что в конечном итоге уменьшает относительные деформации фундаментов и надземных конструкций зданий.

При проектировании свайных фундаментов так же, как и мелкозаглубленных, выдвигается требование, чтобы абсолютные и относительные деформации пучения не превосходили предельно допустимых. Последние зависят от конструктивных особенностей зданий и регламентируются ВСН 29-85.

Для свайных фундаментов, в несущей способности которых большой удельный вес составляет несущая способность боковой поверхности, необходимо выполнять условие отсутствия остаточных деформаций пучения.

Необходимо, чтобы при оттаивании грунта сваи возвращались в первоначальное положение, т.е. их осадки должны быть не меньше, чем подъемы, вызванные силами пучения.

Таким образом, при проектировании коротких свай их геометрические размеры должны обеспечивать необходимую несущую способность, а действующая нагрузка должна обеспечивать регламентированный подъем и возвращение сваи после оттаивания грунта в первоначальное положение.

В последние годы ЦНИИЭПсельстроем проведены обширные исследования взаимодействия свайных фундаментов с пучинистыми грунтами. Испытания фундаментов выполнены на площадках, сложенных грунтами с разной степенью пучинистости. На основе результатов исследований обоснована техническая возможность применения коротких свай в пучинистых грунтах, разработаны методы их расчета по деформациям пучения.

Положения настоящих «Рекомендаций» апробированы при проектировании и строительстве свайных фундаментов для жилых домов усадебного типа. В настоящее время на пучинистых грунтах с использованием таких фундаментов построено более 600 домов в Омской, Пермской, Саратовской, Ярославской и др. областях. За многими их этих зданий ведутся инструментальные наблюдения, свидетельствующие о надежной работе фундаментов из коротких свай. Вместе с тем, применение таких фундаментов взамен ленточных из сборных блоков, закладываемых ниже глубины промерзания грунта, позволило уменьшить расход бетона на 30…60 %, объем земляных работ — на 80…90 %, трудозатраты — в 1,5…2 раза.

«Рекомендации» разработаны кандидатами технических наук В.С. Сажиным и В.Я. Шишкиным. В работе над ними принимали участие инженеры Л.М. Зарбуев, К.Ш. Погосян, Т.А. Приказчикова (ЦНИИЭПсельстрой), кандидат технических наук А.Г. Бейрит, инженер А.П. Айдаков (Мосгипрониисельстрой) и кандидат технических наук В.Н. Зекин (Пермский ГСХИ).

«Рекомендации» распространяются на проектирование фундаментов из коротких (длиной до 4 м) пирамидальных и буронабивных свай малоэтажных (до двух этажей включительно) сельских зданий, строящихся на слабо- и среднепучинистых грунтах при нормативной глубине промерзания не более 1,7 м.

При этом должны соблюдаться требования, предусмотренные СНиП с изменениями к нему № 211, другими соответствующими общесоюзными документами.

Обвязка винтовых свой ростверком

К верхней части труб приваривают оголовки и обвязывают ростверком. Эта конструкция должна располагаться на высоте 0,5-0,7 м от земли.

Для выполнения этой работы подходит несколько видов строительных материалов: железобетон, деревянный брус и металлический швеллер. Каждая технология обладает преимуществами и недостатками.

Технология обвязки различными материалами

При обвязке железобетоном по всему периметру монтируют съемную опалубку. Внутри сооружают армирующий каркас из рифленой арматуры и связывают его с опорами. Конструкцию заливают бетонным раствором. Преимуществом железобетонной обвязки является высокая несущая способность. По такой технологии строят кирпичные дома.

При обвязке сооружают армирующий каркас.

Для металлического ростверка к оголовкам с помощью сварного шва крепят швеллер. Такая конструкция уступает железобетону в прочности, но экономит время и средства.

Ростверковая обвязка деревянным брусом крепится к оголовкам болтами или саморезами.

Бревна соединяются в полдерева. Такая технология подходит для срубов и каркасных домов.